JP4532212B2

JP4532212B2 - 圧電／電歪デバイスセットの検査方法

Info

Publication number: JP4532212B2
Application number: JP2004253445A
Authority: JP
Inventors: 正人駒澤; 哲也八田; 隆智根萩
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2006074878A

Description

本発明は、圧電／電歪デバイスを複数個含む圧電／電歪デバイスセットの検査方法に関する。

近年、光学、精密機械、半導体製造等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位制御デバイスが所望されるようになってきている。これに応え、強誘電体や反強誘電体に電界を加えたときに起こる逆圧電効果や電歪効果等に基づくところの歪みを利用した圧電／電歪アクチュエータや、強誘電体／反強誘電体に応力を加えたときに起こる圧電／電歪効果等に基づくところの電荷発生を利用した圧電／電歪センサ等の圧電／電歪デバイスの開発が進められている。圧電／電歪デバイスは、電界誘起歪みや応力によって誘起される電荷、電界を利用するデバイスであり、アクチュエータやセンサ等に利用することが出来、又、従来のサーボモータ、パルスモータ等による電磁方式等に比較して、微小変位制御が容易であり、機械／電気エネルギー変換効率が高く省電力化が図れ、超精密に実装出来て製品の小型軽量化に寄与する、という特徴を備えることから、応用分野は拡大の一途を辿るものと考えられている。

圧電／電歪デバイスは、例えば、キャビティが設けられた厚肉の支持部とそのキャビティを覆蓋する振動部とを一体的に成形してなるセラミックス製の基体の一の面に、下部電極と圧電／電歪体と上部電極とを順に積層した構造を有するものである。そのような圧電／電歪デバイスは、上部電極と下部電極との間に電界が生じると、圧電／電歪材料からなる圧電／電歪体が変形し、振動部に上下方向の変位を生じる。この振動部を変位させる作用によって、圧電／電歪デバイスは、例えばマイクロアクチュエータとして適用される。マイクロアクチュエータとして用いられる圧電／電歪デバイスは、振動部を上下に変形させることにより、スイッチの接触、非接触を制御したり、マイクロポンプとして流体制御を行う。

このようなマイクロアクチュエータは、複数個を１組（１セット）として使用される場合がある。この場合に、１つのマイクロアクチュエータ（圧電／電歪デバイス）セットにおける個々のマイクロアクチュエータ（圧電／電歪デバイス）の変位量にばらつきがあると、例えば用途がスイッチの制御である場合にはスイッチの動作が不安定になり、あるいは用途がマイクロポンプである場合には流体の押出し量が不安定になり、それら圧電／電歪デバイスセットを適用した製品の品質低下を招来してしまう。従って、同一の電圧をかけた（同一の電界が生じた）ときに、１つの圧電／電歪デバイスセットにおける個々の圧電／電歪デバイスの（振動部の）変位量を、均一化させることが重要である。尚、１つの圧電／電歪デバイスセットにおける個々の圧電／電歪デバイスの振動部の変位量を、均一化させるための手段について、先行文献は存在しないようである。

複数の圧電／電歪デバイスを含む圧電／電歪デバイスセットにおける個々の圧電／電歪デバイスの（振動部の）変位量のばらつきを示す指標として、個々の圧電／電歪デバイスの変位量の標準偏差を挙げることが出来る。又、個々の圧電／電歪デバイスが列状に配設された圧電／電歪デバイスセットにおいては、上記ばらつきを示す指標として、その圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、の関係を示すグラフにおける回帰直線の傾きを挙げることが出来る。

しかし、これら標準偏差や回帰直線の傾きを調べるためには、レーザードップラー振動計等によって、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの振動部の変位量を、直接、検査し、標準偏差や回帰直線の傾きを計算して変位量のばらつきを判断することが必要であり、全ロットについて、このような検査・計算を行うことはコストが高くなるため、それに代わる検査方法が求められていた。

又、出願人は、圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をピックアップして、１次の共振周波数Ｆ１と、１以上の高次のｎ次共振周波数Ｆｎとを得て、それらにより求められる１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）等により、圧電／電歪デバイスの変位量を予測する方法を開発している（特願２００４−１３１３７６）。この方法を利用すれば、変位量を直接検査せずに、１つの圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスについて変位量を予測し、予測した変位量から変位量の標準偏差や回帰直線の傾きを予測して、変位量のばらつきを判断することが可能である。

但し、この方法では、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの全てについて周波数比ＦＲｎ等を測定し、例えば数１式に基づいて変位量の予測値の計算を行う必要があり、周波数比ＦＲｎ等の測定と検査装置のコンピュータ（又は検査装置の測定値を入力可能なコンピュータ）における計算に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製品としての実駆動をさせることなく、高い精度で、且つより短い時間で圧電／電歪デバイスセットを検査し得る方法を提供することにある。

研究が重ねられた結果、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの周波数比ＦＲｎ等を求め、個々の圧電／電歪デバイスの予測変位量を計算してから、圧電／電歪デバイスセットにおける予測変位量の傾きを求め、個々の圧電／電歪デバイスの変位量のばらつき具合を判断するのではなく、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎを求め、それら周波数比ＦＲｎの傾き乃至標準偏差から、個々の圧電／電歪デバイスの変位量のばらつき具合を判断することにより、上記目的が達成されることが見出された。

即ち、本発明によれば、圧電／電歪体と２以上の電極とを具備する圧電／電歪デバイスが、列状に、複数配設された圧電／電歪デバイスセットの検査方法であって、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をそれぞれピックアップして、個々の圧電／電歪デバイスにおける１次の共振周波数Ｆ１と２以上の高次のｎ次共振周波数Ｆｎとを得て、更にそれらにより求められる個々の圧電／電歪デバイスにおける２以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）を求め、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きｔＦＲｎにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測する圧電／電歪デバイスセットの検査方法が提供される（本発明に係る第１の圧電／電歪デバイスセットの検査方法ともいう）。

本発明に係る第１の圧電／電歪デバイスセットの検査方法においては、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きｔＦＲｎに加えて、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの静電容量ＣＰと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きｔＣＰにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測することが好ましい。

次に、本発明によれば、圧電／電歪体と２以上の電極とを具備する圧電／電歪デバイスを複数個含む圧電／電歪デバイスセットの検査方法であって、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をそれぞれピックアップして、個々の圧電／電歪デバイスにおける１次の共振周波数Ｆ１と１以上の高次のｎ次共振周波数Ｆｎとを得て、更にそれらにより求められる個々の圧電／電歪デバイスにおける１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）を求め、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの１以上の周波数比ＦＲｎの標準偏差により、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量の標準偏差を予測する圧電／電歪デバイスセットの検査方法が提供される（本発明に係る第２の圧電／電歪デバイスセットの検査方法ともいう）。

次に、本発明によれば、圧電／電歪体と２以上の電極とを具備する圧電／電歪デバイスが、列状に、複数配設された圧電／電歪デバイスセットの検査方法であって、次に示す（ｉ）〜（ｖ）から選ばれる２以上と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測する圧電／電歪デバイスセットの検査方法が提供される（本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法ともいう）。
（ｉ）：圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの静電容量ＣＰ
（ｉｉ）：圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をそれぞれピックアップして得られる１次の共振周波数Ｆ１
（ｉｉｉ）：（ｉｉ）と同様にして得られる１以上の高次のｍ次共振周波数Ｆｍ
（ｉｖ）：共振周波数Ｆ１及び（ｉｉ）と同様にして得られる１以上のｎ次共振周波数Ｆｎにより求められる１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）
（ｖ）：（ｉｖ）と同様にして得られる１以上の周波数差ＦＤｎ（ＦＤｎ＝Ｆｎ−Ｆ１）
尚、本明細書において、単に本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法というときには、第１の圧電／電歪デバイスセットの検査方法、第２の圧電／電歪デバイスセットの検査方法、及び第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法の全てを指す。

本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの周波数比ＦＲｎ等に基づいて判断を行うため、経験に頼らずに高い精度で圧電／電歪デバイスセットの良否を検査出来る。従って、望まれない製品を出荷してしまう過誤が防止される。

又、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを実際に振動させその変位量を直接検査する方法ではなく、且つ、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの予測変位量を計算しないで、それらの変位量のばらつき具合を判断するので、必要な計算の量を少なくすることが出来、より短時間で、圧電／電歪デバイスセットを検査することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。

先ず、本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法について説明する。本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、（ｉ）：圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの静電容量ＣＰ、（ｉｉ）：圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をそれぞれピックアップして得られる１次の共振周波数Ｆ１、（ｉｉｉ）：（ｉｉ）と同様にして得られる１以上の高次のｍ次共振周波数Ｆｍ、（ｉｖ）：共振周波数Ｆ１及び（ｉｉ）と同様にして得られる１以上のｎ次共振周波数Ｆｎにより求められる１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）、（ｖ）：（ｉｖ）と同様にして得られる１以上の周波数差ＦＤｎ（ＦＤｎ＝Ｆｎ−Ｆ１）、のうちから選ばれる２以上と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測する方法である。

本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法を用いて、圧電／電歪デバイスセットの良否を判断するには、例えば、予測により得られた変位量の傾き（予測変位量傾き）を、予め規定した閾値と比較すればよい。図３は、本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法を用いた圧電／電歪デバイスセットの良否判断（検査方法）の一例を示すフローチャートである。この図３を参照して説明を続ける。

図３（１）：先ず、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスについての、静電容量ＣＰ、１次の共振周波数Ｆ１、１以上のｍ次共振周波数Ｆｍ、１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）、１以上の周波数差ＦＤｎ（ＦＤｎ＝Ｆｎ−Ｆ１）、のうちの何れかを選択し、測定及び必要ならば計算により求める（求めたものを周波数比ＦＲｎ等とよぶ）。

図３（２）：次に、圧電／電歪デバイスセット内に任意の基準点を定め、この基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離を測定する。そして、図３（１）で求めた周波数比ＦＲｎ等と上記距離との関係にかかる回帰直線を求め、その傾き（周波数比傾きｔＦＲｎ等とよぶ）を得る。

図３（３）：次に、図３（２）で得られた周波数比傾きｔＦＲｎ等を、予め規定した閾値と比較し、閾値の範囲内であれば良品と判定する（図３（８ｂ））。即ち、上記距離との関係にかかる周波数比ＦＲｎ等の単独の傾き（周波数比傾きｔＦＲｎ等）であっても、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量のばらつきと一定の相関関係があるとの考えに基づき、予測変位量傾き（圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量のばらつきを示す指標である）を求める前に、良否を判断する。良品と判断されたものについては予測変位量傾きは計算しない。尚、閾値は、例えば、検査対象である圧電／電歪デバイスセットのうちの一部の圧電／電歪デバイスセットを抜き取り、周波数比傾きｔＦＲｎ等と変位量の傾きとを測定し、全ての圧電／電歪デバイスセットの変位量の傾きが良品となる周波数比傾きｔＦＲｎ等の範囲を求めることにより規定することが出来る。

図３（４）：次に、図３（２）で得られた周波数比傾きｔＦＲｎ等が閾値の範囲外である場合に、直ぐに不良品とは判断せずに、変位量の傾きを予測するために、図３（１）で求めた周波数比ＦＲｎ等以外のものであって、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスについての、静電容量ＣＰ、１次の共振周波数Ｆ１、１以上のｍ次共振周波数Ｆｍ、１以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）、１以上の周波数差ＦＤｎ（ＦＤｎ＝Ｆｎ−Ｆ１）、のうちの何れかを選択し、測定及び必要ならば計算により求める（同じく、求めたものを周波数比ＦＲｎ等とよぶ）。

図３（５）：そして、図３（４）で求めた周波数比ＦＲｎ等と、基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線を求め、その傾き（同じく、周波数比傾きｔＦＲｎ等）を得る。

図３（６）：次に、図３（２）で得られた周波数比傾きｔＦＲｎ等と、図３（５）で得られた周波数比傾きｔＦＲｎ等とによって、変位量の傾き（変位量傾きともよぶ）を予測する（予測される変位量の傾きを予測変位量傾きとよぶ）。予測変位量傾きは、次の数２式、及び数３式により、計算によって求めることが出来る。尚、数３式において、ｔＦｍは、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスについての１以上のｍ次共振周波数Ｆｍと、基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きである。又、ｔＣＰは、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスについての静電容量ＣＰと、基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きである。

図３（７）：そして、図３（６）で得られた予測変位量傾きを、予め規定した閾値と比較し、閾値の範囲内であれば良品と判定し（図３（８ｂ））、閾値の範囲外であれば不良品と判定する（図３（８ａ））。尚、この予測変位量傾きにかかる閾値も、周波数比傾きｔＦＲｎ等にかかる閾値とと同様に、例えば、検査対象である圧電／電歪デバイスセットのうちの一部の圧電／電歪デバイスセットを抜き取り、周波数比傾きｔＦＲｎ等と変位量の傾きとを測定し、全ての圧電／電歪デバイスセットの変位量の傾きが良品となる予測変位量傾きの範囲を求めることにより規定することが出来る。

以上記したように、本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法を用いて、圧電／電歪デバイスセットの良否を判断すると、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの予測変位量の計算をしないため、必要な計算の量を少なくすることが出来る。例えば、１０００個の圧電／電歪デバイスを具備する圧電／電歪デバイスセットを検査する場合において、個々の圧電／電歪デバイスの予測変位量を求めて、それから予測変位量傾きの計算を行う場合には、個々の圧電／電歪デバイスについて２の周波数比から変位量を予測するために２０００回の乗除算が必要であり、予測した変位量から予測変位量傾きを計算するために２０００回の乗除算が必要であるから、１つの圧電／電歪デバイスセットの変位量の傾きを予測するために、４０００（＝２０００＋２０００）回の乗除算が必要である。一方、上記した本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法を用いて圧電／電歪デバイスセットの良否を判断する場合には、１の周波数比等について傾きを計算するためには２０００回の乗除算が必要であるから、１の周波数比傾き等から良品と判定された圧電／電歪デバイスについては、２０００回の乗除算が必要である。そして、周波数比傾き等から良品と判定されなかった圧電／電歪デバイスは、更に別の１の周波数比傾き等を求め、２の周波数比傾き等から予測変位量傾きを求めることが必要であり、２の周波数比傾き等から予測変位量傾きを求めるには２回の乗除算が必要であるから、更に２０００回の乗除算が必要である。ここで、１の周波数比傾き等から良品と判定される確率が５０％であると仮定すれば、１つの圧電／電歪デバイスセットあたり、３０００（＝２０００＋（２０００×０．５））回の乗除算を行うことになる。従って、個々の圧電／電歪デバイスについて周波数比から変位量を予測し、予測した変位量から予測変位量傾きを計算すると４０００回の乗除算が必要になるのに対して、個々の圧電／電歪デバイスの周波数比等から周波数比傾き等を求め、周波数比傾き等から予測変位量傾きを計算すると、より少ない計算量によって良否の判定が可能である。更に、必ずしも圧電／電歪デバイスセットに含まれる全ての圧電／電歪デバイスの、全ての周波数比等を測定する必要がなく、測定する周波数比等の数を少なく出来る。

以上、本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法について説明したが、本発明に係る第１の圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きｔＦＲｎ（周波数比傾き）により、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾き（変位量傾き）を予測する方法であるから、本発明に係る第３の圧電／電歪デバイスセットの検査方法において選択可能な（ｉ）〜（ｖ）のうち、周波数比ＦＲｎ（ｉｖ）を２以上選択することを必須条件とする方法に該当するものである。

又、本発明に係る第２の圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、周波数比ＦＲｎ等と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きによるのではなく、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの周波数比ＦＲｎの標準偏差により、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量の標準偏差を予測する方法であり、対象とする圧電／電歪デバイスセットは、複数の異圧電／電歪デバイスが列状に配設されていなくてもよく、格子状、円状、同一平面にはない形態等であってよい。

次に、本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法の対象となり得る圧電／電歪デバイスセットについて説明し、その圧電／電歪デバイスセットを検査する場合を例示して、本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法を、更に具体的に説明する。図１は、圧電／電歪デバイスセットの一例を示す平面図である。圧電／電歪デバイスセット８０は、（図中において省略されているが）１０の圧電／電歪デバイス２０が、列状に配設されてなるものであり、アレイ状の圧電／電歪デバイスである。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、圧電／電歪デバイスセット８０に含まれる個々の圧電／電歪デバイス２０の一例を拡大して示す図である。図２（ａ）は、振動部６６と支持部６８とを分離して表した斜視図であり、図２（ｂ）は、振動部６６及び圧電／電歪作動部７８を含んで図２（ａ）のＣＣ’断面を表す断面図であり、図２（ｃ）は、同様に図２（ａ）のＤＤ’断面を表す断面図である。図示される個々の圧電／電歪デバイス２０は、基体４４と圧電／電歪作動部７８とからなる。基体４４は、キャビティ４６を有する厚肉の支持部６８と、そのキャビティ４６を覆蓋する振動部６６とからなる。基体４４は、圧電／電歪デバイスセット８０全体として一体的に成形され、１０の圧電／電歪デバイス２０は基体４４を共有している。圧電／電歪デバイス２０の圧電／電歪作動部７８は、圧電／電歪体７９と、その一の面に形成された上部電極７５と、その他の面に形成された下部電極７７と、からなり、圧電／電歪デバイスセット８０として一体的に成形された基体４４のキャビティ４６に対応する位置に、下部電極７７が振動部６６と接触するように配置されている。

圧電／電歪デバイスセット８０において個々の圧電／電歪デバイス２０は、上部電極７５と下部電極７７との間に電界が生じると、圧電／電歪材料からなる圧電／電歪体７９が変位を生じ、振動部６６を変形させる。この個々の圧電／電歪デバイス２０の作用によって、圧電／電歪デバイスセット８０は、例えばマイクロアクチュエータとして適用される。

次に、圧電／電歪デバイスセット８０の場合を例にして、圧電／電歪デバイスセットの製造方法について説明する。圧電／電歪デバイスを作製するにあたり、基体にセラミックス材料を用いる場合にはグリーンシート積層法を用いて製造することが出来、圧電／電歪作動部は薄膜、厚膜等の膜形成法を用いて製造することが出来る。

圧電／電歪デバイスセット８０の基体４４は、次のように作製される。例えば、酸化ジルコニウム等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法により所定の厚さを有するグリーンシートを作製する。そして、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、１０のキャビティ４６の形成を考慮して、グリーンシートを求められる種々の形状に加工する。そして、複数のグリーンシートを順次重ね合わせた後に、例えば熱を加えた圧着によりセラミックグリーン積層体を得る。得られたグリーンシート積層体を、１２００〜１６００℃程度の温度で焼成すると、１０のキャビティ４６が所定の位置に備わる基体４４が得られる。

続いて、基体４４の一の面であって、１０のキャビティ４６に対応した位置に、１０の圧電／電歪作動部７８を形成する。例えば、スクリーン印刷法等の膜形成法により、基体４４の一の面のキャビティ４６に対応した所定位置に下部電極７７を印刷し、１２５０〜１４５０℃程度の温度で焼成し、次いで、圧電／電歪体７９を印刷し、１１００〜１３５０℃程度の温度で焼成し、次いで、上部電極７５を印刷し、好ましくは５００℃〜９００℃の温度で焼成して、それぞれの圧電／電歪作動部７８を形成することが出来る。この後に、電極を駆動回路に接続するための電極リードを印刷し、焼成する。

以上のようにして１０の圧電／電歪デバイス２０を含む圧電／電歪デバイスセット８０が形成された後、分極が必要な場合には分極処理を施す。分極は、例えば、個々の圧電／電歪デバイス２０における上部電極７５及び下部電極７７間に、使用予定の駆動電圧よりも十分に高い電圧（分極電圧）を印加することで行われる。そして、分極処理を施された圧電／電歪デバイスセット８０について、個々の圧電／電歪デバイス２０が正常に作製されたか否かを確認するための検査が行われる。圧電／電歪デバイスセット８０の良否判断（検査方法）の流れを表すフローチャートを図４に示す。

検査において、先ず、圧電／電歪デバイスセット８０に含まれる個々の圧電／電歪デバイス２０を振動させ、それぞれの周波数特性をピックアップして、個々の圧電／電歪デバイス２０毎に、合計１０の、１次の共振周波数Ｆ１及び高次ピークＡの共振周波数ＦＡとを得る。そして、それらにより、個々の圧電／電歪デバイス２０毎に、１０の周波数比ＦＲＡ（ＦＲＡ＝ＦＡ／Ｆ１）を求める（図４（１）参照）。

１次の共振周波数Ｆ１と高次ピークＡの共振周波数ＦＡは、ネットワークアナライザ（高周波パラメータ測定器）により検出される。検査対象の圧電／電歪デバイスにネットワークアナライザをプローブ（測定治具）を通じて接続し、入力信号に対する透過波や反射波を解析することで、インピーダンス（大きさと位相）の周波数特性が表示される。

図７は、ネットワークアナライザの画面に表示されるインピーダンス位相値の周波数特性の一例を示す図である。１次の共振周波数Ｆ１は、最も低い周波数のインピーダンス極小値や位相極大値を示す周波数として検出される。１次の共振周波数とは、図８（ａ）に例示されるような１次振動モード（１つの腹が形成される振動）の共振周波数である。高次ピークＡの共振周波数ＦＡは、共振周波数Ｆ１より高周波側に第２の位相極大値を示す周波数として検出される。高次ピークＡの共振周波数とは、図８（ｂ）に例示されるような３次振動モード（３つの腹が形成される振動）の共振周波数である。

尚、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び後に示される図８（ｃ）においては、圧電／電歪デバイスの振動部の振動領域（±１．０を支持部とし、０を中心とする）が横軸に示され、圧電／電歪デバイスを振動させたときの変位量（ａ．ｕ．）が縦軸に示されている。尚、例示した高次振動モードの形状や高次ピークの発生領域は、ある寸法を有する矩形振動板の場合であり、他の寸法や形状の場合には、それぞれの高次振動モードの形状や高次ピークを取得することで、本発明の応用が可能である。又、共振周波数特性を測定するための装置は、ネットワークアナライザに限らず、インピーダンスアナライザやＦＦＴアナライザ等を使用することも可能である。又、共振周波数を検出するための方法は、インピーダンス極小値や位相極大値に限らず、アドミタンス極大値や、ゲイン極大値等を使用することも可能である。

次に、圧電／電歪デバイスセット８０の基準点Ｐから個々の圧電／電歪デバイス２０の中心までの距離Ｌ１〜Ｌ１０を測定する。圧電／電歪デバイスセット８０においては、個々の圧電／電歪デバイス２０の間隔は等しく１ｍｍであり、図１中の最左の圧電／電歪デバイス２０と基準点Ｐとの距離も１ｍｍであるから、Ｌ１＝１ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍ、Ｌ３＝３ｍｍ、… Ｌ１０＝１０ｍｍになっている。そして、先に求めた圧電／電歪デバイス２０毎の１０の周波数比ＦＲＡと、該当する圧電／電歪デバイス２０の上記距離Ｌ１〜Ｌ１０と、の関係によって回帰直線を求め、その傾き（周波数比傾きｔＦＲＡ）を求める（図４（２）参照）。

次に、求めた周波数比傾きｔＦＲＡを閾値と比較し、閾値の範囲内であれば良品と判定し（図４（３）及び図４（８ｂ）参照）、これ以上の検査は行わない。

周波数比傾きｔＦＲＡが閾値の範囲外である場合には、圧電／電歪デバイスセット８０に含まれる個々の圧電／電歪デバイス２０を再度振動させ、それぞれの周波数特性をピックアップして、個々の圧電／電歪デバイス２０毎に、合計１０の高次ピークＢの共振周波数ＦＢを得る。そして、個々の圧電／電歪デバイス２０毎に、１０の周波数比ＦＲＢ（ＦＲＢ＝ＦＢ／Ｆ１）を求める（図４（４）参照）。

高次ピークＢの共振周波数ＦＢは、共振周波数ＦＡと同様に、ネットワークアナライザ（高周波パラメータ測定器）により検出される。高次ピークＢの共振周波数ＦＢは、共振周波数ＦＡより高周波側に第３の位相極大値を示す周波数として検出される。高次ピークＢの共振周波数とは、図８（ｃ）に例示されるような特殊な振動モードの共振周波数である。

そして、求められた１０の周波数比ＦＲＢと、該当する圧電／電歪デバイス２０の上記距離Ｌ１〜Ｌ１０と、の関係によって回帰直線を求め、その傾き（周波数比傾きｔＦＲＢ）を求める（図４（５）参照）。

次に、周波数比傾きｔＦＲＡと周波数比傾きｔＦＲＢにより、数４式を用いて予測変位量傾きｔＭ４を求める。尚、数４式は、数２式において、ｘ’＝１、ｎ＝Ａ，Ｂにより導出される。
（数４）
予測変位量傾きｔＭ４＝ａ_1A（ＦＲＡ）＋ａ_1B（ＦＲＢ）＋ａ_0A＋ａ_0B

そして、予測変位量傾きｔＭ４を閾値と比較し、閾値の範囲内であれば良品と判定し（図４（７）及び図４（８ｂ）参照）、閾値の範囲外であれば不良品と判定し（図３（８ａ））、圧電／電歪デバイスセット８０の検査が終了する。そして、検査に合格した圧電／電歪デバイスセット８０のみが出荷される。検査に合格した良品の圧電／電歪デバイスセットがアクチュエータとして用いられた例えばマイクロスイッチは、振動部の変位量のばらつきが一定範囲に収まり、スイッチ動作の安定性が高い。

図６は、予測変位量傾きと実測変位量傾きとの関係を示すグラフである。このグラフは、圧電／電歪デバイスセット８０と同形態の圧電／電歪デバイスセットを１４体作製し、それぞれの予測変位量傾き（ａ．ｕ．）と実測変位量傾き（ａ．ｕ．）との関係を示し、両者が概ね比例していることを表している。図６中の予測変位量傾きは、上記の数４式を用いて求めた予測変位量傾きｔＭ４である。又、図６中の実測変位量傾きは、作製した各圧電／電歪デバイスセット毎に、それに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量をレーザードップラー振動計によって計測し、各圧電／電歪デバイスセット毎に、その実測変位量と、基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係によって得られる回帰直線の傾きである（図５参照）。

本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、作製された圧電／電歪デバイスセットの個々の圧電／電歪デバイスを、実際に振動させて得られた周波数比傾き等及び予測変位量傾きによって、良否を判断する方法であり、周波数比傾き等及び予測変位量傾きは圧電／電歪デバイスセットを構成する全ての要素（予知し得ないものを含む）が反映されたものであるため、個々の圧電／電歪デバイスの変位量のばらつきを確実に識別出来、従来より検査にかかる精度が高く、良品か否かの判断は、より正確に行われ得る。作製したものを振動させるだけであって、圧電／電歪デバイスセットの破壊、分解を伴わないため、検査に多くの時間を要することはない。

尚、本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法が対象とし得る圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスは、電界によって誘起される歪みや応力によって誘起される電荷／電界を利用してまとまった機能を果たすユニットを示し、圧電／電歪体と少なくとも一対の電極とを構成要素とするものであり、狭義の意味での、印加電界に概ね比例した歪み量を発生する逆圧電効果や応力によって誘起された電荷量を発生する圧電効果、印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果を利用する圧電／電歪デバイスに限定されず、強誘電体材料全般に見られる分極反転、反強誘電体材料に見られる反強誘電相−強誘電相間の相転移、等の現象を利用する圧電／電歪デバイスも含まれる。又、分極処理が行われるか否かについても、圧電／電歪デバイスを構成する圧電／電歪体に用いられる材料の性質に基づいて適宜決定される。

本発明に係る圧電／電歪デバイスセットの検査方法は、例えば、計測器、光変調器、光スイッチ、電気スイッチ、マイクロリレー、マイクロバルブ、搬送装置、ディスプレイ及びプロジェクタ等の画像表示装置、画像描画装置、マイクロポンプ、液滴吐出装置、微小混合装置、微小撹拌装置、微小反応装置、等に適用される各種の圧電／電歪デバイスセットの検査手段として好適に利用出来る。

圧電／電歪デバイスセットの一例を示す平面図である。圧電／電歪デバイスの一例を示す図であり、振動部と支持部とを分離して表す斜視図である。図２（ａ）に示される圧電／電歪デバイスの振動部及び圧電／電歪作動部を含むＣＣ’断面を表す断面図である。図２（ａ）に示される圧電／電歪デバイスの振動部及び圧電／電歪作動部を含むＤＤ’断面を表す断面図である。本発明の圧電／電歪デバイスセットの検査方法を用いた圧電／電歪デバイスセットの検査方法の一例を示すフローチャートである。本発明の圧電／電歪デバイスセットの検査方法の一実施形態を表すフローチャートである。圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの実測変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係を示すグラフであり、回帰直線の傾きを表した図である。予測変位量傾きと実測変位量傾きとの関係を示すグラフである。ネットワークアナライザの画面に表示されるインピーダンス位相値の周波数特性の一例を示すグラフである。１次振動モードの態様を示すグラフである。高次ピークＡ振動モードの態様を示すグラフである。高次ピークＢ振動モードの態様を示すグラフである。

符号の説明

２０…圧電／電歪デバイス、４４…基体、４６…キャビティ、６６…振動部、６８…支持部、７５…上部電極、７７…下部電極、７９…圧電／電歪体、８０…圧電／電歪デバイスセット。

Claims

圧電／電歪体と２以上の電極とを具備する圧電／電歪デバイスが、列状に、複数配設された圧電／電歪デバイスセットの検査方法であって、
圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスを振動させたときの周波数特性をそれぞれピックアップして、個々の圧電／電歪デバイスにおける１次の共振周波数Ｆ１と２以上の高次のｎ次共振周波数Ｆｎとを得て、更にそれらにより求められる個々の圧電／電歪デバイスにおける２以上の周波数比ＦＲｎ（ＦＲｎ＝Ｆｎ／Ｆ１）を求め、
圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きｔＦＲｎにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測する圧電／電歪デバイスセットの検査方法。
前記圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの２以上の周波数比ＦＲｎと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる２以上の回帰直線の傾きｔＦＲｎに加えて、前記圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの静電容量ＣＰと、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きｔＣＰにより、圧電／電歪デバイスセットに含まれる個々の圧電／電歪デバイスの変位量と、圧電／電歪デバイスセット内の基準点から個々の圧電／電歪デバイスまでの距離と、の関係にかかる回帰直線の傾きを予測する請求項１に記載の圧電／電歪デバイスセットの検査方法。